Kvant
Bài chính

Tính toán gần đúng và công thức Taylor

Почуев В. Р.

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

3

Tính toán gần đúng và công thức Taylor

V. R. POCHUEV

Bài viết này bắt đầu bằng các phép thay thế đơn giản về các phép tính số học gần đúng, điều này đương nhiên dẫn đến công thức thay thế của Taylor. Đặc biệt, công thức này được thiết lập theo phương pháp của trường, sau đó được sử dụng để tính gần đúng các giá trị của hàm.

Hai ví dụ để khởi động

Giả sử chúng ta cần tính tích

p=1,03×2,01p = 1,03 \times 2,01

với độ chính xác 0,001. Việc tính toán như thế này là điều đương nhiên

p=(1+0,03)⋅(2+0,01)≈2+0,06+0,01=2,07.p = (1 + 0,03) \cdot (2 + 0,01) \approx 2 + 0,06 + 0,01 = 2,07.

Ở đây chúng ta đã bỏ qua bốn số hạng 0,01×0,03=0,00030,01 \times 0,03 = 0,0003, vì nó kém hơn độ chính xác quy định.

Ký hiệu được sử dụng sẽ trở nên rõ ràng hơn nếu bạn biểu thị số 0,01 bằng xx. Khi đó phép tính của chúng ta chỉ đơn giản là phép tính hàm số (đa thức)

f(x)=(1+3x)(2+x)=2+7x+3x2f(x) = (1 + 3x)(2 + x) = 2 + 7x + 3x^2

khi giá trị là x=0,01x = 0,01 hoặc p=f(0,01)p = f(0,01). Khi viết đẳng thức gần đúng f(x)≈2+7xf(x) \approx 2 + 7x, chúng ta bỏ qua số hạng bậc cao hơn (thứ hai) 3x23x^2.

Hãy xem xét một ví dụ phức tạp hơn một chút: hãy tính tích với độ chính xác 0,01

q=2,12×1,97.q = 2,12 \times 1,97.

Bây giờ ký hiệu số 0,1 bằng xx, ta thấy rằng tính qq tức là tìm giá trị của hàm

g(x)=(2+x+2x2)(2−3x2)g(x) = (2 + x + 2x^2)(2 - 3x^2)

tại x=0,1x = 0,1. Mở ngoặc, chúng ta nhận được

g(x)=4+2x−2x2−3x3−6x4.g(x) = 4 + 2x - 2x^2 - 3x^3 - 6x^4.

Có thể bỏ qua các số hạng có x3x^3 và x4x^4 vì tại x=0,1x = 0,1, x3=0,001x^3 = 0,001 và x4=0,0001x^4 = 0,0001 nằm ngoài độ chính xác yêu cầu là 0,01. Vì thế,

q=g(0,1)≈4+2(0,1)−2(0,1)2=4,18.q = g(0,1) \approx 4 + 2(0,1) - 2(0,1)^2 = 4,18.

Hãy phân tích hành động của chúng tôi

Sự thành công của các phép tính dựa trên thực tế là tích mong muốn pp (hoặc qq) gần với số chính xác AA và sau đó được biểu thị dưới dạng giá trị của một số hàm f(x)f(x) cho xx nhỏ, với f(0)f(0) bằng AA.

Vì vậy, trong ví dụ đầu tiên, ước tính sơ bộ cho p≈1⋅2=2=A1p \approx 1 \cdot 2 = 2 = A_1 và độ lệch của hệ số com so với một và hai là nhỏ. Tương tự, trong ví dụ thứ hai, ước tính sơ bộ cho q≈2⋅2=4=A2q \approx 2 \cdot 2 = 4 = A_2, và một lần nữa độ lệch của hệ số com so với hai là nhỏ. Trong mỗi

4

Trong trường hợp thứ hai, độ lệch của các hệ số này được đo bằng “đơn vị x”, trong đó xx là 0,01 và trong trường hợp thứ hai - bằng `các “đơn vị x” khác, trong đó x′x' là 0,1.

Tiếp theo, hàm đã chọn f(x)f(x) (hoặc g(x)g(x)) được chia thành hai phần - hiện có và phụ:

f(x)=f1(x)+f2(x),f1(x)=2+7x,f2(x)=3x2,g(x)=g1(x)+g2(x),g1(x)=4+2x−2x2,g2(x)=−3x3−6x4,f(x) = f_1(x) + f_2(x), \quad f_1(x) = 2 + 7x, \quad f_2(x) = 3x^2, \quad g(x) = g_1(x) + g_2(x), \quad g_1(x) = 4 + 2x - 2x^2, \quad g_2(x) = -3x^3 - 6x^4,

trong đó các phần thiết yếu f1(x)f_1(x) (và g1(x)g_1(x)) là đa thức bậc một và bậc hai, biểu thị kết quả với độ chính xác cần thiết, còn f2f_2 và g2g_2 là không đáng kể.

Hãy giới thiệu biểu tượng “khoảng nhỏ”

Trong các trường hợp được xem xét trong phân tích toán học, công thức ghi ngắn hơn và biểu cảm hơn sau đây thường được sử dụng:

f(x)=2+7x+o(x),g(x)=4+2x−2x2+o(x2).f(x) = 2 + 7x + o(x), \quad g(x) = 4 + 2x - 2x^2 + o(x^2).

Ở đây ký hiệu o(x)o(x) (đọc “khoảng nhỏ từ xx”) biểu thị một số hàm của xx (chúng tôi không quan tâm đến dạng chính xác của nó), có xu hướng về 0 nhanh hơn xx, nghĩa là, sao cho

lim⁡x→0o(x)x=0.\lim_{x \to 0} \frac{o(x)}{x} = 0.

Tương tự, o(x2)o(x^2) là một hàm nào đó của xx có xu hướng về 0 nhanh hơn x2x^2, tức là

lim⁡x→0o(x2)x2=0.\lim_{x \to 0} \frac{o(x^2)}{x^2} = 0.

Tổng quát o(xn)o(x^n), cho n≥1n \ge 1, là ký hiệu cho hàm của xx có ​​thuộc tính sau:

lim⁡x→0o(xn)xn=0.\lim_{x \to 0} \frac{o(x^n)}{x^n} = 0.

Bằng cách sử dụng các tính chất số học của các giới hạn (xem Đại số và phần đầu của phân tích 9-10, các đoạn văn), có thể dễ dàng thiết lập các quy tắc sau đây cho phép bạn chuyển đổi các biểu thức phức tạp chứa o nhỏ thành các biểu thức đơn giản hơn:

(a) o(xn)+o(xn)=o(xn)o(x^n) + o(x^n) = o(x^n),
(b) x⋅o(xn)=o(xn+1)x \cdot o(x^n) = o(x^{n+1}),
(c) xn+1=o(xn)x^{n+1} = o(x^n), v.v.
(Ví dụ: để đặt (a),

lim⁡x→0o(xn)xn=0.\begin{align*} \lim_{x \to 0} \frac{o(x^n)}{x^n} &= 0. \end{align*}

cần chứng minh rằng tổng của hai hàm số, mỗi hàm số đều có xu hướng bằng 0, bản thân nó cũng có xu hướng bằng 0; và điều này ngay lập tức tuân theo quy tắc về tổng các giới hạn.)

Hãy rút ra một số công thức gần đúng

Hãy sử dụng các ký hiệu o(x)o(x), o(x2)o(x^2), … và các thuộc tính của chúng để rút ra một số công thức hữu ích cho các phép tính gần đúng.

Ví dụ 1. Hãy chứng minh công thức:

(1+x)3=1+3x+o(x).(1+x)^3 = 1 + 3x + o(x).

(Thuật ngữ o(x)o(x) cho chúng ta biết rằng công thức này có thể được sử dụng nếu bình phương xx có thể bị bỏ qua trong các phép tính của chúng ta.)

Bằng chứng. Sử dụng công thức tính tổng khối

(1+x)3=1+3x+3x2+x3,(1+x)^3 = 1 + 3x + 3x^2 + x^3,

nhưng x2=o(x)x^2 = o(x) (quy tắc (d)); 3x2=o(x)3x^2 = o(x) (quy tắc (b)); x3=o(x)x^3 = o(x) (quy tắc (d), (c)). Đó là lý do tại sao

(1+x)3=1+3x+o(x)+o(x)=1+3x+o(x).(1+x)^3 = 1 + 3x + o(x) + o(x) = 1 + 3x + o(x).

Vì vậy, chúng ta có thể viết với độ chính xác 0,01:

(1,012)3≈1+3⋅0,012=1,036.(1,012)^3 \approx 1 + 3 \cdot 0,012 = 1,036.

Ví dụ 2. Hãy chứng minh công thức:

11−q=1+q+q2+⋯+qn+o(qn).\frac{1}{1-q} = 1 + q + q^2 + \dots + q^n + o(q^n).

Bằng chứng được đưa ra ngay sau đây từ một cách tiếp cận dễ kiểm chứng

11−q=1+q+q2+⋯+qn+qn+11−q.\frac{1}{1-q} = 1 + q + q^2 + \dots + q^n + \frac{q^{n+1}}{1-q}.

Chúng ta hãy sử dụng công thức (2) để tính gần đúng phân số r=201/203r = 201/203. Biểu diễn phân số này dưới dạng

r=1+12001+3200,r = \frac{1 + \frac{1}{200}}{1 + \frac{3}{200}},

chúng ta hãy xem xét chức năng

h(x)=1+x1+3x;h(1200)=h(0,005)=r.h(x) = \frac{1+x}{1+3x}; \quad h\left(\frac{1}{200}\right) = h(0,005) = r.

Lấy (2) n=2n=2, q=−3xq=-3x; Sau đó

11+3x=1−3x+9x2+o(x2),\frac{1}{1+3x} = 1 - 3x + 9x^2 + o(x^2),

5

h(x)=11+3x=1−2x+6x2+o(x2).h(x) = \frac{1}{1+3x} = 1 - 2x + 6x^2 + o(x^2).

Vì vậy, r=h(0,005)≈1−0,01+0,000150=0,990150r = h(0,005) \approx 1 - 0,01 + 0,000150 = 0,990150.

Bài tập

  1. Viết và thiết lập công thức cho (1+x)7(1+x)^7 với độ chính xác o(x2)o(x^2).
  2. Viết và thiết lập công thức cho 1/(1+q)1/(1+q) với độ chính xác o(qn)o(q^n).

Tính toán gần đúng các căn thức

Khi tính toán gần đúng các căn thức, chúng ta sẽ phân biệt giữa trường hợp “tốt” và trường hợp “xấu”. Trong trường hợp “tốt”, dưới dấu căn bậc hai có một số hơi khác so với số bình phương hoàn hảo; số được tính λ\lambda có dạng a2+a2\sqrt{a^2 + a^2}, trong đó aa nhỏ so với a2a^2. Để minh họa trường hợp này, hãy xem xét ví dụ sau.

Ví dụ 3. Hãy tìm giá trị gần đúng của căn bậc λ=99\lambda = \sqrt{99}.

Hãy biểu thị λ\lambda là
λ=100−1=101−0,01\lambda = \sqrt{100-1} = 10\sqrt{1-0,01}
và xét hàm r(x)=1+xr(x) = \sqrt{1+x} sao cho λ=10r(−0,01)\lambda = 10r(-0,01). Giả sử rằng đối với xx nhỏ có một công thức gần đúng
r(x)=a+bx+cx2+o(x2).r(x) = a + bx + cx^2 + o(x^2).

(3) Tìm a,ba, b và cc. Trước hết, hướng xx về 0, chúng ta thu được: a=1a = 1. Bây giờ hãy bình phương cả hai vế của đẳng thức (3):
1+x=a2+2abx+(b2+2ac)x2+o(x2).1 + x = a^2 + 2abx + (b^2 + 2ac)x^2 + o(x^2).

Đánh đồng các hệ số của cùng lũy ​​thừa xx ở cả hai vế của đẳng thức cuối cùng, chúng ta thu được a2=1;2ab=1;b2+2ac=0a^2 = 1; 2ab = 1; b^2 + 2ac = 0. Xét rằng a=1a = 1, chúng ta tìm thấy: b=1/2;c=−1/8b = 1/2; c = -1/8. Vì thế,
1+x=1+12x−18x2+o(x2).\sqrt{1+x} = 1 + \frac{1}{2}x - \frac{1}{8}x^2 + o(x^2).

(4) Như vậy,
λ=10r(−0,01)≈10(1−0,005−0,0000125)=10(0,9949875)=9,949875.\lambda = 10r(-0,01) \approx 10(1-0,005 - 0,0000125) = 10(0,9949875) = 9,949875.

Bây giờ chúng ta hãy chỉ ra cách hành động trong một trường hợp “xấu”. Như một minh họa, chúng ta hãy nhìn vào

Ví dụ 4. Hãy tìm giá trị gần đúng của căn bậc μ=2\mu = \sqrt{2}.

Rõ ràng là công thức (4) mà chúng tôi tìm thấy, mang lại 2\sqrt{2} cho x=1x = 1, hoàn toàn không phù hợp để tính căn thức, vì xx không nhỏ và chúng tôi không thể tính được rằng các số hạng ở vế phải của (4) giảm nhanh chóng. Để tạo ra một trường hợp “tốt”, chúng ta chọn hai hình vuông hoàn chỉnh có tỷ lệ là 2. Các hình vuông đó chẳng hạn là 25 và 49. Sau đó
μ=2=755049=75v.\mu = \sqrt{2} = \frac{7}{5} \sqrt{\frac{50}{49}} = \frac{7}{5} v.
Phép tính vv đã là một trường hợp “tốt”, vì bên dưới dấu căn có một số gần bằng 1 (một hình vuông hoàn hảo). Hãy viết vv dưới dạng:
v=(1−0,02)−12v = (1-0,02)^{-\frac{1}{2}}
và xét hàm S(x)=1/1+xS(x) = 1/\sqrt{1+x}. Sau đó v=S(−0,02)v = S(-0,02). Chúng ta hãy lại giả sử rằng có một công thức có dạng
S(x)=a+bx+cx2+o(x2).S(x) = a + bx + cx^2 + o(x^2).
Hướng xx về 0, chúng ta thu được a=1a = 1. Chúng ta bình phương cả hai vế và nhân với mẫu số,
1=(1+x)(a2+2abx+(b2+2ac)x2+o(x2)),1 = (1+x)(a^2 + 2abx + (b^2 + 2ac)x^2 + o(x^2)),
1=a2+(a2+2ab)x+(b2+2ab+2ac)×x2+o(x2).1 = a^2 + (a^2 + 2ab)x + (b^2 + 2ab + 2ac) \times x^2 + o(x^2).
Chúng ta đánh đồng các hệ số của cùng lũy ​​thừa xx ở cả hai vế của đẳng thức cuối cùng, chúng ta nhận được a2=1,a2+2ab=0,b2+2ab+2ac=0a^2 = 1, a^2 + 2ab = 0, b^2 + 2ab + 2ac = 0. Xét rằng a=1a = 1, chúng ta tìm thấy: b=−1/2;c=3/8b = -1/2; c = 3/8. Vì thế,
11+x=1−12x+38x2+o(x2).\frac{1}{\sqrt{1+x}} = 1 - \frac{1}{2}x + \frac{3}{8}x^2 + o(x^2).

Như vậy,
μ=2=(7/5)S(−0,02)≈1,4(1+0,01+0,00015)=1,41421.\mu = \sqrt{2} = (7/5)S(-0,02) \approx 1,4(1+0,01+0,00015) = 1,41421.
Công thức Taylor cho đa thức Cho một đa thức bậc nn:
p(x)=a0+a1x+a2x2+...+anxnp(x) = a_0 + a_1x + a_2x^2 + ... + a_nx^n
Khi đó công thức sau giữ nguyên:
p(x)=p(0)+p′(0)x+12!p′′(0)x2+...+1n!p(n)(0)xn,p(x) = p(0) + p'(0)x + \frac{1}{2!}p''(0)x^2 + ... + \frac{1}{n!}p^{(n)}(0)x^n,

6

trong đó p(n)p^{(n)} biểu thị hàm đạo hàm bậc nn pp và ký hiệu n!n! (đọc là “en giai thừa”) được giải mã như sau: n!=1⋅2⋅3⋅⋯⋅nn! = 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot \dots \cdot n.

Ví dụ: tại n=2n = 2, p(x)=a0+a1x+a2x2p(x) = a_0 + a_1x + a_2x^2, do đó p′(x)=2a2x+a1p'(x) = 2a_2x + a_1, p′′(x)=2a2p''(x) = 2a_2, do đó, p′(0)=a1p'(0) = a_1, p′′(0)=2a2p''(0) = 2a_2 và do đó, thực sự,

p(x)=p(0)+p′(0)x+12p′′(0)x2=a0+a1x+a2x2.p(x) = p(0) + p'(0)x + \frac{1}{2}p''(0)x^2 = a_0 + a_1x + a_2x^2.

Trong trường hợp tổng quát, công thức (6) được kiểm tra trực tiếp. Tôi khuyên người đọc đừng lười biếng và hãy tiếp tục kiểm tra này, bắt đầu “khởi động” với trường hợp n=3n = 3.

Công thức Taylor cho hàm số

Sử dụng quy tắc (6) và (d), công thức (6) có thể được viết lại thành

p(x)=p(0)+p′(0)x+p′′(0)x22+⋯+p(n−1)(0)(n−1)!xn−1+o(xn−1).p(x) = p(0) + p'(0)x + \frac{p''(0)x^2}{2} + \dots + \frac{p^{(n-1)}(0)}{(n-1)!}x^{n-1} + o(x^{n-1}).

Công thức này hữu ích cho các phép tính gần đúng khi xnx^n không đáng kể. Tuy nhiên, chúng ta quan tâm đến nó ở đây vì một lý do khác: hóa ra công thức này không chỉ đúng với đa thức p(x)p(x), mà còn đúng với các hàm tùy ý f(x)f(x) (miễn là chúng có f′(x)f'(x), f′′(x)f''(x), …, f(n+1)(x)f^{(n+1)}(x) tùy ý bao gồm n+1n+1). Thư từ

f(x)=f(0)+f′(0)x+f′′(0)2x2+⋯+f(n)(0)n!xn+o(xn)f(x) = f(0) + f'(0)x + \frac{f''(0)}{2}x^2 + \dots + \frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n + o(x^n)

được gọi là công thức Taylor (hoặc Maclaurin) theo tên hai hệ số toán học người Anh thế kỷ 17-18, mặc dù về bản chất nó cũng được Newton biết đến. Chúng ta sẽ không chứng minh công thức này ở dạng tổng quát nhưng cũng sẽ thu được các khai triển bằng cách sử dụng các phương pháp đơn giản hơn, như chúng ta đã làm trước đó.

Công thức Taylor
cho các hàm hữu tỷ phân số (phương pháp hệ số không xác định)

Phân số hữu tỉ là bất kỳ hàm nào biểu diễn

xử lý dưới dạng tỉ số của hai đa thức. Chúng ta hãy xem một ví dụ cụ thể về cách thu được khai triển Taylor cho các hàm như vậy.

Ví dụ 5. Sử dụng công thức Taylor, chúng ta mở rộng hàm lên o(x3)o(x^3)

f(x)=1+x1+x+x2.f(x) = \frac{1+x}{1+x+x^2}.

Cách đầu tiên. Xét hàm g(x)=11+x+x2g(x) = \frac{1}{1+x+x^2}. Hãy giới thiệu một biến mới t=x+x2t = x+x^2. Sử dụng công thức (2), trong đó q=−tq = -t, chúng ta có thể viết

g(x)=11+t=1−t+t2−t3+o(t3)=1−(x+x2)+(x+x2)2−(x+x2)3+o(x3)=1−x+x3+o(x3).g(x) = \frac{1}{1+t} = 1-t+t^2-t^3+o(t^3) = 1-(x+x^2)+(x+x^2)^2-(x+x^2)^3 + o(x^3) = 1-x+x^3+o(x^3).

Vì thế,

f(x)=(1+x)(1−x+x3+o(x3))=1−x2+x3+o(x3).f(x) = (1+x)(1-x+x^3+o(x^3)) = 1-x^2+x^3+o(x^3).

Phương pháp thứ hai (phương pháp hệ số không xác định). Cho phép

f(x)=1+x1+x+x2=a+bx+cx2+dx3+o(x3)f(x) = \frac{1+x}{1+x+x^2} = a+bx+cx^2 + dx^3 + o(x^3)

Hãy nhân cả hai vế với mẫu số:

1+x=(1+x+x2)(a+bx+cx2+dx3+o(x3))1+x = (1+x+x^2)(a+bx+cx^2+dx^3 + o(x^3))

1+x=a+(a+b)x+(a+b+c)x2+(b+c+d)x3+o(x3).1+x = a+(a+b)x+(a+b+c)x^2 + (b+c+d)x^3+o(x^3).

Chúng ta đánh đồng các hệ số của cùng lũy ​​thừa xx ở cả hai vế của đẳng thức cuối cùng, chúng ta nhận được a=1,a+b=1;a+b+c=0;b+c+d=0a=1, a+b=1; a+b+c=0; b+c+d=0. Do đó, a=1,b=0,c=−1,d=1a=1, b=0, c=-1, d=1, và chúng ta đi đến kết quả tương tự.

Công thức Taylor
cho các hàm lượng giác

Mục tiêu của chúng tôi là chứng minh công thức sau mà không sử dụng công thức Taylor tổng quát (7).

sin⁡x=x−x33!+x55!+o(x5),\sin x = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} + o(x^5),

cos⁡x=1−x22!+x44!+o(x4).\cos x = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} + o(x^4).